Пауки являются одними из самых разнообразных видов на нашей планете, около 45 000 известных видов живут в самых разных местах обитания и окружающей среде. Около 7 500 из этих видов плетут паутину, чтобы поймать свою добычу. Спиралевидные нити «захватывающего шелка» паутины играют ключевую роль, удерживая добычу, освобождая пауков для охоты.
Захватывающий шелк состоит из аксиального волокна, покрытого «каплями клея» через равные промежутки времени. Этот паутинный клей уникален, потому что его адгезия увеличивается в зависимости от влажности, а для некоторых видов адгезия продолжает увеличиваться до 100% относительной влажности (RH). Это полная противоположность тому, как синтетические клеи, такие как те, что используются на пластырях, действуют на кожу человека в ответ на более высокую влажность - как только вы потеете, они тут же отслаиваются.
Группа исследователей из Университета Акрона и Политехнического института Вирджинии изучила свойства, лежащие в основе адгезии паутинного клея к влаге. Они расскажут о своей работе и о том, как она может привести к появлению столь востребованных «умных клеев», способных работать даже в условиях высокой влажности, во время 87-го ежегодного собрания Общества реологов, которое состоится 11-15 октября. 2015 г., Балтимор, штат Мэриленд. Реология - это раздел физики, изучающий деформацию и течение материи.
Чтобы начать свои исследования, ученые измерили адгезию нитей захвата пяти различных видов пауков. «Среда обитания этих видов варьировалась от сухой до влажной и влажной, поэтому мы измерили адгезию в зависимости от влажности и использовали высокоскоростную визуализацию для количественной оценки скорости распространения капель клея пауков», - объяснил Гаурав Амарпури из Акрона.
Амарпури - доктор философии. кандидат, работающий с разнообразной командой ученых-материаловедов и биологов, включая профессора Али Диножвалка и профессора Тодда Блэкледжа из Университета Акрона в Огайо, а также профессора Брента Опелла из Технологического института Вирджинии. Их сотрудничество является частью нового Инновационного центра исследований биомимикрии (BRIC) в Акроне, который позиционирует себя как посвященный инновациям, вдохновленным природой.
Растекание капель жидкости следует «степенному закону растекания», согласно которому капли с низкой вязкостью распространяются быстрее, чем капли с высокой вязкостью. Группа BRIC использовала степенной закон распространения для расчета вязкости паутинного клея в зависимости от влажности. «Мы обнаружили максимальную адгезию клея при уровне влажности, при котором паук обычно кормится», - сказал Амарпури. «Это интуитивно понятно, но приятно наблюдать на данных».
Под микроскопом группа также смогла увидеть отслоение паутинного клея и ясно увидеть, что его растяжимость увеличивается с влажностью. Они наблюдали вязкость клея, которая показала «изменения более чем на пять порядков при изменении относительной влажности от 30 до 90 процентов - эквивалент изменения консистенции раствора с арахисового масла на оливковое масло», - указал Амарпури.
Вязкость клея при влажности максимальной адгезии была «очень похожей, даже несмотря на то, что эта влажность варьировалась от 30 до 90 процентов среди пяти исследованных видов», - сказал Амарпури. «Это показывает уникальную способность пауков изменять или «настраивать» вязкость своего клея, чтобы максимизировать сцепление и захват добычи».
Механизм, лежащий в основе способности пауков адаптироваться к влажности в их местной среде и изменять вязкость их клея для паутины, может помочь в разработке умных клеев следующего поколения. «Наше исследование подчеркивает модуляцию вязкости как мощный инструмент, который различные организмы используют для получения различных функций», - отметил Амарпури. «Дальнейшая работа по количественной оценке объемных реологических изменений в биологических материалах может привести к созданию нового класса интеллектуальных материалов."
Исследователи начали изучать белки и соли паутинного клея. Соли представляют собой низкомолекулярные органические соединения, которые гигроскопичны (способны притягивать и удерживать молекулы воды), и, хотя белки относительно схожи, соли значительно различаются по соотношению и составу в зависимости от вида. «Итак, теперь мы изучаем роль солей в контроле вязкости и адгезии», - добавил Амарпури.